جادوی کوانتومی گرافن کلاس جدیدی از مواد ابررسانا را تحویل می‌دهد

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۲۴ آوریل، ۲۰۲۲
لینک منبع: Graphene Quantum Magic Delivers a New Class of Superconducting Material

ابر رساناها موادی هستند که جریان الکتریکی را بدون هیچ مقاومتی هدایت می‌کنند. این ویژگی آن‌ها را برای کاربردهای مختلف، از جمله از دست رفتن کابل‌های برق کمتر، موتورهای الکتریکی و ژنراتورها، و الکترومغناطیس‌های قدرتمندی که می‌توانند برای تصویربرداری MRI و قطارهایی با شیب مغناطیسی مورد استفاده قرار گیرند، جذاب می‌سازد. محققان دانشگاه ناگویا در حال حاضر جزئیات خواص ابررسانایی گروه جدیدی از مواد ابررسانا، گرافن دولایه پیچ‌خورده با زاویه جادویی را بیان کرده‌اند.

دمای پایین برای ماده لازم است تا به‌عنوان ابررسانا رفتار کند. در واقع، بیشتر مواد تنها وارد فاز ابررسانایی در دماهای بسیار پایین می‌شوند، مانند ۲۷۰- درجه سانتی‌گراد، که کم‌تر از دمای مشاهده‌شده در فضا است! از آنجا که این خنک‌سازی اساسی نیازمند تجهیزات خنک‌کاری هلیوم مایع بسیار گران‌قیمت و تخصصی است، کاربردهای عملی آن به شدت محدود است. این دلیل اصلی این است که چرا فن‌آوری‌های ابررسانایی هنوز در مراحل اولیه خود هستند.

ابررساناهای دمای بالا (HTS) ، مانند برخی رساناهای مبتنی‌بر آهن و مس، به فاز ابررسانایی بالاتر از ۲۰۰- درجه‌ سانتی‌گراد می‌رسند، دمایی که با خنک کردن یک دستگاه با نیتروژن مایع، که می‌تواند یک سیستم را تا ۱۹۵.۸- درجه سانتی‌گراد خنک کند، به راحتی به دست می‌آید. با این حال، کاربردهای صنعتی و تجاری HTS تاکنون محدود شده‌است. مواد HTS که در حال حاضر شناخته‌شده و در دسترس هستند، مواد سرامیکی شکننده هستند که قابل خم شدن به شکل‌های قابل استفاده مانند سیم نیستند. علاوه‌بر این، تولید آن‌ها بسیار دشوار و گران است. این امر جست‌وجو برای مواد ابررسانای جدید را حیاتی می‌سازد و تمرکز اصلی تحقیق برای فیزیکدان‌هایی مانند پروفسور هیروشی کنتانی و دکتر سیچیرو اوناری از دپارتمان فیزیک دانشگاه ناگویا است.

اخیرا ماده جدیدی به‌عنوان یک ابررسانای بالقوه به نام گرافن دولایه پیچ خورده با زاویه جادویی (MATBG) پیشنهاد شده‌است. در MATBG، دو لایه گرافن، اساسا لایه‌های دو بعدی منفرد کربن مرتب شده در یک شبکه لانه‌زنبوری، توسط یک زاویه جادویی (حدود ۱.۱ درجه) جبران می‌شوند که منجر به شکست تقارن چرخشی و تشکیل یک تقارن مرتبه بالا به نام SU می‌شود (۴). با تغییر دما، سیستم نوسانات کوانتومی را تجربه می‌کند، مانند امواج آب در ساختار اتمی، که منجر به تغییر خود به خودی جدید در ساختار الکترونیکی و کاهش تقارن می‌شود. این شکست تقارن چرخشی به‌عنوان حالت نماتیک شناخته می‌شود و ارتباط نزدیکی با خواص ابررسانایی در مواد دیگر دارد.

پروفسور کنتانی و دکتر اوناری در اثر خود که اخیرا در «نامه‌های بازبینی فیزیکی» منتشر شده‌اند، از روش‌های نظری برای درک بهتر و درخشش نور بر روی منبع این حالت نماتیک در MATBG استفاده می‌کنند. دکتر اوناری توضیح می‌دهد: «از آنجا که می‌دانیم که ابررسانایی دمای بالا می‌تواند توسط نوسانات نماتیک در سیستم‌های الکترونی شدیدا هم‌بسته مانند ابررساناهای مبتنی‌بر آهن القا شود، روشن کردن مکانیسم و منشا این نظم نماتیک می‌تواند منجر به طراحی و ظهور ابررساناهای دمای بالاتر شود.»

محققان دریافتند که نظم منشوری در MATBG از تداخل بین نوسانات یک درجه آزادی جدید سرچشمه می‌گیرد که درجات آزادی دره و درجات آزادی اسپین را ترکیب می‌کند، چیزی که از سیستم‌های الکترونی هم‌بسته متعارف گزارش نشده‌است. دمای گذار ابررسانایی گرافن دولایه پیچیده شده در K ۱ (۲۷۲- درجه ساتی‌گراد) بسیار پایین است اما حالت نماتیکی قادر به افزایش آن تا چندین درجه می‌باشد.

نتایج آن‌ها همچنین نشان می‌دهد که اگرچه MATBG به روش‌هایی مانند یک ابر رسانای دمای بالا مبتنی‌بر آهن رفتار می‌کند، اما برخی ویژگی‌های متمایز نیز دارد که بسیار هیجان‌انگیز هستند، مانند جریان حلقه بار خالص که میدان مغناطیسی را در حالت قطبی دره ایجاد می‌کند، در حالی که جریان حلقه توسط هر دره در حالت نماتیک لغو می‌شود. علاوه‌بر این، چکش‌خواری گرافن نیز می‌تواند نقش مهمی در افزایش کاربردهای عملی این ابررساناها ایفا کند.

با درک بهتر مکانیسم‌های اساسی ابررسانایی، علم و تکنولوژی به آینده‌ای که در واقع فوق‌العاده است، نزدیک‌تر می‌شوند.

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات فیزیک کوانتوم ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.